高性能动中通天线罩设计制造及应用

1、高性能动中通天线罩设计、制造以及应用1、引言“动中通”卫星移动通信是指载体在移动过程中仍能通过同步卫星保持正常的通信联络。“动中通”除了具有卫星通信覆盖区域广、不受地形地域限制、传输线路稳定可靠的优点外，真正实现了宽带、移动通信的目的。其主要由卫星自动跟踪系统和卫星通信系统两部分组成，采用自主跟踪、信号闭环等新技术，很好的解决了各种车辆、轮船等移动载体在运动中通过地球同步卫星，实时不断的传递语音、数据、高清晰的动态视频图像、传真等多媒体信息的难关，使通信领域的一次重大的突破，是当前卫星通信领域需求旺盛、发展迅速的应用，在军民两个领域都有极为广泛的发展前景。为了能够保护天线在载体运动过程中不受风

2、压，保证各种环境条件下的实时通信需求，必须为天线配备具有足够的安全系数，高透波率，低损耗的高性能动中通天线罩。之合公司近年来多次参与了“动中通”通信系统的研制，负责制作高性能动中通天线罩，通过这些研制过程，积累了一定的经验，为用户提供满足使用要求的高性能动中通天线罩，并且已有批量化的产品。在“512”抗震救灾行动中，配备有本公司高性能动中通天线罩的卫星直通车实时将温总理现场指挥抢险救灾、慰问灾民的视频图像传回公安部，确保了国务院抗震救灾指挥部的通信畅通。“动中通”通信系统通常选择Ku波段中12-14.75GHz。本文介绍了高性能动中通天线罩的研制过程，研究了高性能天线罩材料的基本性能，通过计算

3、，得出应用于Ku波段的铺层体系。利用ansys软件，对某次设计的高性能动中通天线罩进行了结构分析，并简单介绍了研制的工艺步骤。2、材料体系用于天线罩的复合材料是由增强纤维和树脂基体构成的，两者的电性能好，才能成型出好的透波材料。下表1、3、4中列举了一些用于天线罩的增强纤维、基体树脂以及夹层材料的基本性能2,3,4。表1 天线罩增强纤维基本性能材料相对密度拉伸强度/GPa弹性模量/GPa介电常数(9.375109Hz)介电损耗角正切(9. 375109Hz)E 玻纤 2.54 3. 45 72. 06.130.0039S玻纤2. 49 4. 00 85. 0 5. 210. 0068D 玻纤2

4、. 162. 40 52. 0 4. 00 0. 0026石英玻纤2. 20 1. 70 72. 0 3. 78 0. 0002芳纶491. 45 3. 45 137 3. 58 0. 01因为高性能动中通天线罩对蒙皮要求很高，需要很薄的内外蒙皮，精度要求高。故选择S玻纤，其力学性能优势明显，可适当减少蒙皮厚度，对蒙皮厚度的精度要求有了一定的余量。选用中材科技的特种高强玻璃纤维布作为增强材料，能够相应减少蒙皮的厚度，对提高产品的透波性能有显著效果。如下表2：表2 某种特种纤维力学测试结果试 验 项 目依 据 标 准实测值标准号指标值平均值拉伸断裂强力（N/25mm）经 向BX647-20021

5、9002503纬 向16002171可燃物含量0.51.00.72经纬密度（根/cm）经向18118.1纬向14114.4表3 天线罩基体材料电性能材料比重介电常数介电损耗角正切106Hz9. 375 109Hz106Hz9. 375 109Hz环氧1. 201. 223. 25. 02. 780. 0100. 0190. 012酚醛环氧1. 181. 213. 40. 024饱和聚酯1. 311. 383. 13. 30. 00220. 030不饱和聚酯1. 101. 462. 84. 12. 780. 0060. 0260. 005对于无高温要求的天线罩，选择基体树脂时，一般考虑环氧或者不

6、饱和树脂。表3中列出常规天线罩基体材料电性能。高性能动中通天线罩设计中，从工艺实现的难以程度、基体树脂的介电常数等方面综合考虑，选择不饱和树脂。表3 天线罩夹层材料基本性能聚氨酯泡沫不同密度下的介电常数和介电损耗密度（kg/m3）介电常数介质损耗角正切tan(0.001)40.01.062.972.11.106.196.11.159.8芳纶纸蜂窝芯材性能孔格边长（mm）密度（kg/m3）介电常数介质损耗角正切tan(0.001)3481.071.74481.072.45481.072.0聚氨酯泡沫和芳纶纸蜂窝都是非常理想的电磁窗材料。在制作高性能动中通天线罩时，考虑到形状的复杂性，考虑采用密度

7、60 kg/m3的聚氨酯泡沫。实际使用中，密度公差要求在3以内。 3、电性设计3.1 天线罩指标通常情况下，动中通天线系统使用Ku波段，电性能指标如下：接收：12.00-12.50GHz 1.0dB发射：14.25-14.75GHz 1.5dB3.2 电性指标计算在计算天线罩功率传输时，用的参数是材料的介电常数和介电损耗角正切。纤维增强塑料介电常数的简化理论估算公式如下5,6:log= Vflogf + (1 - Vf - V0) logm + V0log0 式中,f ,m ,0 依次为纤维、基体、空隙中气体的介电常数;Vf 为纤维的体积含量; V0为空隙率。纤维增强塑料的介电损耗角正切的理论

8、估算公式为tan=（tan+ tan）/2 tan=tan=tan=tan=r=式中a、b为纤维排列参数，初步计算按a=b=16。A 型夹层是由高介电常数损耗较小的介质做蒙皮，低介电常数损耗更小的介质(蜂窝材料)做夹芯组成的三层结构。如图1：它的每一层介质板可以等效为低阻抗传输线，三层相当于三个低阻抗传输线的级联。根据传输线理论，其传输矩阵可表示为7： 图1：A型夹层结构示意图其中：水平极化时： 垂直极化时：式中： 由此可得传输系数：T=功率传输系数为：根据以上理论设计Ku波段动中通天线罩铺层，材料参数见下表4：表4 Ku波段高性能动中通天线罩材料参数材 料介电常数损耗角正切比重(g/cm3)

9、表层3.84.00.010.021.7芯 层1.061.100.0020.0030.06涂 层4.04.20.020.031.7其功率损耗见下图2和表5： 图2 等效试板传输损耗理论值表5 Ku波段高性能动中通天线罩设计铺层的透波情况频率(GHz)12.2512.7514.014.519.620.421.229.430.231损耗(dB)0.110.090.120.180.450.270.150.290.210.423.4 结果根据以上的计算结果可以看到，Ka波段天线罩采用S玻纤、不饱和树脂，芯材采用芳纶纸蜂窝，在厚度公差0.3mm；入射角在0 30的范围内满足传输要求（35以上在局部频点传输

10、存在超差）；天线罩蒙皮厚度为主要控制指标，应0.4mm。4、结构设计4、工艺设计及质量控制天线罩通常采用单层、双层与夹层等形式。由于重量要求等因素，多选用夹层。夹层又分为A 型夹层、C型夹层、及多层等形式。在Ka波段舰载天线罩的研制过程中，考虑到诸多要求，我们选取的是A 型蜂窝夹层结构，结构示意图如下： 图4 天线罩结构示意图4.2 工艺流程图Ka波段天线罩产品研制步骤示意如下：研制过的高性能动中通天线罩如下图： 5、等效试板制作及测试结果根据选择的材料以及电信设计的厚度制作等效试板。测试仪器为HP85301C天线测试系统，以及转台及其控制器、测试辅助天线、被测天线（与被测天线罩配套的实际工作天线）或其等效天线，为测试安装架设方便，可采用等效天线替代实际天线。其测试结果如下：测试结果表明：按照设计铺层制作的等效试板在Ka波段 (19.621.2GHz)，入射角30内满足技术要求。并且，在Ku波段 (14.0014.50GHz)使用时，透波率比原来的Ku波段天线罩有了显著提高。6、 应用前景按照设计方案制作的Ka波段舰载天线罩，其电性能不仅在Ka波段满足技术要求，而且在Ku波段插入损耗也降低了。该天线罩结构上安全可靠，现已成功装配于某舰队，为我国发展海洋力量保驾护